기후

육상생태계의 구조는 우점하는 식물에 의해 대체로 정의되고 이는 다시 지배적인 물리적 환경조건, 즉 기후의 반영이다. 기후의 주로 온도와 강수의 지리적 변이는 식물의 대규모 분포와 따라서 육상생태계의 본질을 지배한다. 한 특정 지리적 지역이 열대림, 초지 평원 또는 불모의 사구 경관이 될 것인지를 결정하는 요인은 바로 생물에게 가장 큰 제약을 부여함으로써 특정 생태계에 가장 큰 영향을 미치는 물리적 환경의 양상인 기후이다. 많은 사람이 기후와 날씨를 혼동한다. 날씨는 특정 장소와 시간에 일어나는 온도, 습도, 강수, 바람, 운량과 기타 대기조건의 조합이며, 기후는 장기간에 걸친 평균적 날씨이고 국지적, 지역적 또는 지구적이다. 태양에서 방출되는 전자기 에너지인 태양복사는 지구의 대기에 도달할 때까지 우주의 진공을 통해 대체로 방해 없이 이동한다. 과학자들은 관찰되는 방식에 따라 태양복사를 파동 또는 입자로 행동하는 광자의 흐름 또는 에너지의 다발로 개념화한다. 과학자들은 파장, 즉 연속되는 파장 간의 물리적 거리와 빈도, 즉 초당 주어진 지점을 지나가는 파장의 수로 에너지 파동의 특성을 나타낸다. 모든 물체는 넓은 범위의 파장에 걸쳐 있는 복사에너지를 방출한다. 그러나 방출하는 에너지의 정확한 본질은 물체의 온도에 달려 있다. 물체가 뜨거울수록, 방출되는 광자는 에너지가 더 많아지고 파장은 짧아진다. 태양과같이 아주 뜨거운 표면은 주로 단파복사를 방출하며 대조적으로 지구의 표면과 같은 서늘한 물체는 긴 파장의 복사인 장파복사를 방출한다. 지구 대기의 바깥 가장자리는 태양에너지를 가로챈다. 그 결과 분자 상호작용은 열을 발생하고 지구의 자전과 함께 탁월풍과 해류를 만드는 열복사의 양상을 초래한다. 이러한 공기와 물의 움직임은 다시 강수의 분포를 포함한 지구의 날씨 양상에 영향을 미친다. 태양에 의해 방출된 전자기 복사는 넓은 범위의 파장을 포함한다. 지구의 대기에 도달한 태양복사의 총 범위에서 약 400~700nm의 파장은 가시광선을 이룬다. 결론적으로 이 파장은 또한 식물이 광합성 과정에서 에너지원으로 사용하는 파장을 포함하기 때문에 광합성활성복사라고 알려져 있다. 가시광선보다 짧은 파장은 자외선(UV)이며, 가시광선보다 긴 파장은 적외선이다. 지구 표면에 도달하는 태양복사의 위도에 따른 변화가 적도에서 극까지 낮아지는 온도기울기를 설명할 수 있지만, 1년에 걸쳐 일어나는 조직적인 변화는 설명할 수 없다. 지구에 4계절이 있는 이유는 지구가 똑바로 서 있지 않고 한쪽으로 기울어져 있기 때문이다. 지구는 두 가지의 독특한 운동을 한다, 태양 주변의 궤도를 도는 동안, 지구는 북과 남의 극을 통과하는 축을 회전하여, 낮과 밤을 가져온다. 지구의 회전축은 황도에 대해 수직이 아니라 23.5도의 각도로 기울어졌다. 이 기울기가 온도와 일장의 계절적 변화를 일으킨다. 태양복사, 온도, 광주기의 계절성은 위도가 높아짐에 따라 심해진다. 북극권과 남극권에서 일장은 연중 0시간부터 24시간까지 변한다. 계속 밤인 동지까지 낮이 짧아진다. 봄과 함께 낮이 길어지고, 하지에는 태양이 절대 지지 않는다. 이론적으로 지구의 모든 위치에서 연중 동일한 양의 일광을 받더라도, 태양이 결코 머리 똑바로 위에 오지 않는 고위도에서는 태양복사의 연간 유입이 가장 낮다. 태양복사에 대한 다양한 노출 양상이 지구 주변의 연평균 기온을 조절한다. 연간 태양복사처럼, 연평균 온도는 열대지역에서 가장 높고 극으로 갈수록 낮아진다. 지구를 둘러싼 모든 공기 분자의 무게는 5,600조 톤이다. 공기의 무게는 지구 표면의 힘으로 작용하고, 주어진 표면 면적에 걸쳐 작용하는 힘의 크기를 대기압 또는 기압이라고 한다. 태양복사에 노출된 정도와 기간이 위도에 따른 계절적, 나날의 온도 변화를 설명하지만, 고도가 올라가면서 왜 공기가 차가워지는지는 설명하지 못한다. 공기의 수직 기둥을 상상해 보면, 기둥의 어떤 지점에서의 압력은 그 지점 위 공기의 총량이란 관점에서 생각할 수 있다. 고지를 오를 때 위에 있는 공기의 양이 감소하고, 따라서 압력이 낮아진다. 대기압이 계속 감소하지만, 고도가 증가함에 따라 감소율은 떨어진다. 지구 표면에서는 더 높은 기압 때문에 공기의 밀도가 높고, 높이 올라가면 기압과 함께 감소한다. 결론적으로 해수면 위로 고도가 높아지면 기압과 밀도가 모두 감소한다. 기압과 밀도가 모두 해수면 위 높이와 함께 조직적으로 감소하지만, 기온은 더 복잡한 수직 단면을 갖는다. 기온은 통상 지구 표면에서 위로 대략 11km의 고도까지 감소한다. 지구 표면에서 멀어질 때의 기온 저하는 두 가지 이유가 있다. 표면에서는 공기밀도가 더 높기 때문에, 공기 분자가 더 빨리 움직인다. 온도는 공기 분자들의 평균 속도의 측정값이므로 분자의 평균 속도와 온도 모두 표면 근처에서 더 높다. 고도에 따라 공기밀도가 감소하면 분자들의 운동속도가 느려지고 따라서 온도가 낮아진다. 기압 및 밀도와는 달리, 기온은 지구 표면 위로 높이가 증가함에 따라 계속해서 떨어지지 않는다. 대기의 어떤 높이에서 고도의 변화는 갑작스러운 기온의 변화를 초래할 순 있다. 대기과학자들은 갑작스럽게 온도가 변하는 이러한 고도를 이용하여 대기의 다양한 지역을 구별한다. 그 지역들을 지구의 표면에서 시작하여 대류권, 성층권, 중간권, 열권이라고 한다. 기후와 더하여 지구에 있는 생물에게 가장 중요한 두 지역은 대류권과 성층권이다. 단열 냉각률은 공기 중 수분함유량에 달려 있다. 건조한 공기의 단열냉각은 대략 고도 1,000m당 약 10˚C이다. 습윤한 공기는 더 천천히 차가워진다. 기단이 상승함에 따른 기온변화율을 단열감률이라고 한다.